Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение (




Скачать 403.23 Kb.
НазваниеРешение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение (
страница1/5
Дата05.09.2012
Размер403.23 Kb.
ТипРешение
  1   2   3   4   5


УДК 581.132.1:551.46.08:519.876.5(262.5)


В. В. Суслин1, канд. физ.-мат. наук, ст.н.с., Т. Я. Чурилова2, канд. биол. наук, ст.н.с.,

Х. М. Сосик3, докт. биол. наук, вед.науч.сотр.


1 Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины, Севастополь, Украина

2 Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского Национальной академии наук Украины,

Севастополь, Украина

3 Вудсхольский океанографический институт, Вудсхол, США


Региональный алгоритм расчЁта концентрации хлорофилла а

в ЧЁрном море по спутниковым данным SeaWiFS


Анализ стандартных спутниковых продуктов SeaWiFS второго уровня, характеризующих выходящее из-под поверхности воды излучение в спектральных каналах (СК) = 490, 510 и 555 нм, показал, что их комбинация в виде индексов, определяемых как отношения и , обладает в Чёрном море существенной нелинейностью в течение года. Эта особенность легла в основу метода разделения вкладов пигментов фитопланктона и суммы детрита и жёлтого вещества в поглощение света морской водой, и, как следствие, предложен региональный алгоритм определения концентрации хлорофилла а (). Показано, что существуют, как минимум, два типа решений, соответствующих различному характеру поглощения света черноморской водой в СК 555 нм. Для обоих решений получены аналитические выражения для расчёта и в СК 490 нм. Одно из решений (Deep решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение (Shelf решение) удовлетворительно согласуется с in situ данными в шельфовой зоне моря. Проведено исследование устойчивости Deep и Shelf решений к входным параметрам оптической модели воды.

Ключевые слова: видимый диапазон, дистанционное зондирование, поглощение, хлорофилл а, окрашенное растворённое органическое вещество, цианобактерии, SeaWiFS, региональный алгоритм, Чёрное море


В настоящее время на околоземной орбите работает ряд высококлассных дистанционных приборов SeaWiFS, MODIS и другие, которые передают уникальные данные о спектральном составе восходящего излучения. После выполнения процедуры атмосферной коррекции [21] из этих данных, в частности, вычисляются некоторые биооптические характеристики верхнего слоя воды (продукты второго уровня), например, концентрации хлорофилла а (далее ). К сожалению, стандартный подход, используемый в NASA [28, 29], даёт неудовлетворительное количественное и качественное описание этого параметра для Чёрного моря [7, 8, 10, 22]. Одна из причин заключается в повышенном содержании жёлтого вещества в черноморской воде [7, 14] в сравнении с океаническими водами, по данным которых был настроен стандартный статистический алгоритм NASA. Другая причина состоит в неадекватном описании свойств аэрозоля в тех моделях, которые используются при выполнении стандартной атмосферной коррекции [4, 5, 19]. Указанные выше причины могут приводить к низкой точности восстановления спектра излучения, восходящего из-под поверхности воды, во всем видимом диапазоне спектра. Причём точность снижается по мере уменьшения длины волны, что серьёзно затрудняет применение подходов, использующих спектральные каналы (СК) в синей части спектра [14, 20].

В настоящее время параллельно развиваются два направления исследований. Первое из них связано с повышением точности восстановления спектра нормализованной яркости излучения, выходящего из-под поверхности воды, во всем видимом диапазоне, за счёт корректного учёта оптических свойств реального аэрозоля при выполнении атмосферной коррекции. После выполнения атмосферной коррекции такой подход подразумевает использование всего спектра для восстановления биооптических характеристик верхнего слоя моря. Однако выполнить атмосферную коррекцию в видимой области спектра для районов, подверженных влиянию различных типов аэрозолей, удаётся только в отдельных частных случаях. Второе направление связано с созданием региональных алгоритмов восстановления концентрации пигментов без привлечения коротковолновой области спектра [6, 7, 24, 25]. Применительно к Чёрному морю существующие до сих пор алгоритмы либо имеют ограничения по сезонам/районам, либо их точность восстановления низка.

Данная работа относится ко второму направлению. В ней будет развит региональный алгоритм оценки по стандартным продуктам второго уровня прибора SeaWiFS для Чёрного моря. Предлагаемый подход позволит корректно описать сезонную и пространственную изменчивость с более высокой точностью, по сравнению с другими известными алгоритмами.

Материал и методы. Контактные измерения в верхнем слое моря (0 - 5 м), использованные в данной работе, представлены в табл. 1.

Основу спутниковых данных составляют ежедневные стандартные данные SeaWiFS второго уровня пространственного разрешения 1х1 км в надире Merged Local Area Covered (MLAC) и пространственного разрешения 4х4 км в надире Global Area Covered (GAC) версии 5.2 [32]. Выбор пространственного разрешения осуществлялся в зависимости от решаемой задачи. В случаях, когда пространственная и временная изменчивость была мала, использовались спутниковые данные GAC, осреднённые с шагом по времени за две недели на пространственной сетке 0.035 по долготе и 0.025 по широте. Если пространственная изменчивость была существенна, то использовались спутниковые данные MLAC. Чтобы повысить качество спутниковых данных, следуя [5], из анализа исключались все продукты второго уровня, которые либо имели отрицательное значение в одном из СК (флаг 8), либо находились вблизи с яркими объектами (флаг 9), либо для которых процедура поиска наилучшей пары аэрозольных моделей медленно сходилась (флаг 20). Все такие ситуации в стандартном спутниковом продукте помечаются специальными значками, так называемыми флагами, что существенно облегчает процедуру их фильтрации.

Результаты. Начиная с 70-х годов 20 столетия, специалисты отдела оптики Морского гидрофизического института НАН Украины использовали отношение выходящего из моря излучения на двух длинах волн как индикатор суммарного поглощения света водой в разных частях Мирового океана [3]. Физическая суть этого явления состоит в том, что изменчивость обратного рассеяния света оказывает существенно более слабое влияние на отношение сигналов на двух длинах волн, чем изменчивость суммарного поглощения света морской водой.

Установлено [7], что индекс устойчив к ошибкам атмосферной коррекции и может быть использован для вычисления суммарного поглощения света в верхнем слое воды в глубоководной части Чёрного моря в летний период. Болем поздние исследования показали, что с учётом использования дополнительных критериев эту устойчивость можно повысить [4, 5]. Аналогично этому была проведена оценка устойчивости другого индекса с использованием данных SeaWiFS (обновлённой версии 5.2) для небольшой области в глубоководном районе на юго-западе Чёрного моря для безоблачных условий за 13 и 15 августа 1998 г. (табл. 2). Различие между этими соседними днями состояло в том, что 15 августа спектры в западной части моря имели более низкие значения по сравнению с 13 августом, причём эта разность возрастала с уменьшением (табл. 2). Кроме того, на значительной площади моря 15 августа флаг 8 имел значение 1. Согласно [5], это является признаком неудовлетворительного выполнения атмосферной коррекции. Однако, если относительная ошибка для этих двух дней больше 12%, то для индексов и она меньше 3% и 1% соответственно. Это говорит о том, что индексы и восстанавливаются более надёжно, чем весь спектр . Следует отметить, что пространственное распределение каждого индекса и с 13 по 15 августа практически не изменилось, что также указывает на стабильность восстановления и как в глубоководной части моря, так и на шельфе. Закономерность этого эффекта можно выявить, анализируя изменчивость ежедневных GAC значений , , и , осреднённых внутри района 2 (табл. 1) на примере 1998 г. На рис. 1 показаны только те дни, в которых рассматриваемый район имел высокую обеспеченность данными по площади (>70%). Видно, что в течение года для значений индексов и характерна плавная изменчивость, в то время как величина резко изменялась в пределах нескольких дней, что является признаком плохого выполнения атмосферной коррекции. Следовательно, значения индексов и более устойчивы к ошибкам стандартной атмосферной коррекции.

В начале лета 1998 г. в глубоководной части моря было отмечено цветение кокколитофорид [10], которые в процессе своего развития генерируют огромное количество мелкой взвеси. Как следствие этого, в указанный период времени отмечались высокие значения и . Однако, это никак не повлияло на летние значения индексов и . Это означает, что названные индексы нечувствительны (или слабо чувствительны) к обратному рассеянию взвеси.

Анализ сезонной изменчивости индексов и показал, что весеннее цветение 1998 г. [10] по времени совпадало с необычным поведением индексов и . Из рис. 1 видно, что, в то время как индекс возрастает, индекс уменьшается. В остальные сезоны оба индекса изменялись сопряжено (имеют один и тот же знак первой производной), различие было только в амплитуде сигнала.

Таким образом, в отличие от стандартного алгоритма восстановления в нашем распоряжении есть два индекса и , которые слабо чувствительны к обратному рассеянию света взвесью и к неточности выполнения атмосферной коррекции, а также между ними отсутствует жёсткая корреляция в течение года.

Исходя из известных моделей оптических свойств морской воды [2, 23, 26], представим индекс как


, (1)


где - солнечная постоянная, и

, (2)


где и - суммарные показатели поглощения и обратного рассеяния света морской водой, их компоненты с индексами w, CDM, ph и p для чистой морской воды, суммы детрита и жёлтого вещества, фитопланктона и частиц, соответственно. Далее будем считать, что все переменные и константы указаны для СК с центральной длиной волны .

В нашей модели сделаны три допущения. Первое - в рассматриваемом интервале длин волн поглощение детритом и жёлтым веществом было объединено:


, (3)


где - переменная, задающая спектральную зависимость ; - опорная длина волны, далее = 490 нм.

Второе - показатель обратного рассеяния света в морской воде описывается следующим выражением:


, (4)


где в первом приближении значение n является одной и той же константой для обоих индексов и . Обоснование этого допущения будет дано ниже.

Третье - мы считаем, что показатель поглощения фитопланктоном является линейной функцией от концентрации хлорофилла а (Здесь и в далее хлорофиллом а обозначается сумма концентраций хлорофилла а и феофитина а, ). Это означает, что безразмерные константы и между в СК 490, 510 и 555 нм определяются как:


(5)


и не зависят от .

Используя уравнения (1)-(5), записанные для двух индексов и , можно найти решение для и


(6)

и

(7)

где
















Для расчёта концентрации хлорофилла а использовалось следующее выражение


,


где А= 0.030 м2 мг-1 [18], В=1. В результате С= aph(490)/0.030.


Для вычисления и по спутниковым данным мы должны задать солнечные постоянные, поглощение чистой морской водой и четыре неизвестных параметра модели: , , и . Солнечные постоянные и поглощение чистой морской водой для СК SeaWiFS (табл. 3) были выбраны согласно [30, 34].

Показатель степени
  1   2   3   4   5

Похожие:

Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение. Одной из основных проблем качественной подготовки к
Как показывает практика, многие педагоги предлагают обучающимся подготовиться к итоговым испытаниям либо в индивидуальном порядке,...
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение: Латинский алфавит до буквы
Решение: Первый цикл задаст элементы массива со значениями 0 до 10. Во второй части программы элементы меняются местами
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение варианта демо версии егэ 2013 года (части a и B)
Решение: Надо помнить, что 2k-1 это в двоичном представлении k единиц. Так как, 255=256 – 1=28 – 1, то в двоичной записи десятичного...
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconПояснительная записка Данный элективный курс «Азбука подготовки к гиа» рассчитан на 34 часа и является предметно-ориентированным для 8-9 классов
В связи с сокращением количества часов уроков математики на решение некоторых типов задач не хватает времени: задачи содержащие модуль...
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение именем российской федерации
Студент и представитель вуза с этим не согласились и обжаловали решение в суд. Суд удовлетворил заявление студента и признал решение...
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение Президиума Совета по филологии 15-16 мая 2007 г. (г. Киров) Решение секции русского языка 18-19 мая 2006 г. (г. Москва) Решение секции «Русский язык в межнациональной коммуникации»
Решение Президиума Совета по филологии 7–8 декабря 2006 г. (г. Москва)
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение этой системы уравнений подтверждает математическое предвидение A. Beal и связь этого предвидения с элементарным
Предлагаю Вашему вниманию решение этой проблемы как решение системы уравнений A. Beal и P. Fermat
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение
Переработка изношенных шин как экологически эффективное и экономически выгодное решение
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconРешение задач
Решение неравенств, содержащих знак модуля, методом введения новой переменной. 28
Решение) корректно качественно и количественно воспроизводит наблюдаемый сезонный ход в открытой части моря. Другое решение ( iconПрограмма элективного курса по биологии «Решение генетических задач»
Элективный курс предназначен для обучающихся 9-11 классов. Элективный курс включает материал по разделу биологии «Основы генетики....
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница